斜切喷管火箭发动机燃气射流流场特性研究

为了研究斜切喷管发动机的燃气射流流场特性,采用有限体积法数值求解非定常可压缩N-S方程,对不同喷管角度、不同海拔高度以及不同燃气温度条件下的发动机斜切喷管燃气射流流场特性进行数值模拟研究。结果表明:由于斜切喷管不对称外伸壁面的存在,导致喷管燃气射流流场不再对称; 喷管壁面不对称程度越大,则喷管燃气射流偏转与扩张角度越大; 随着海拔高度的增加,燃气流场核心区域与燃气射流的影响范围、以及射流偏转角度不断增大,但射流核心区域的波节数将不断减小; 此外,燃气温度变化,对喷管流场压强分布影响较小,但对流场速度值影响较大; 燃气温度越高,则喷管出口排气速度越大,致使喷管射流流场的燃气动能越大。     

喷管对水下爆轰燃气射流过程影响的数值模拟

为了探究不同喷管构型对水下爆轰燃气射流形态与激波传播过程的影响,基于VOF多相流模型,通过求解二维非稳态雷诺时均Navier-Stokes方程分别对无喷管、加装扩张喷管、收敛喷管的爆轰管水下爆轰过程的内外流场进行二维轴对称数值模拟。研究了喷管构型对水下爆轰过程中形成的透射与反射激波的传播特性、爆轰燃气射流形态演化规律等流场特性的影响。计算结果表明:扩张喷管可以加强向下游传播的透射激波沿轴线方向的指向性,而收敛喷管会减弱透射激波的强度,增强向上游传播的反射激波强度。爆轰燃气泡初期轴向和径向发展速度均随着时间逐渐衰减,喷管对燃气泡的轴向尺度影响较小,但收敛喷管能够显著抑制燃气泡的径向尺度。研究结果可为后续水下爆轰推进的工程化应用提供技术支撑。     

小孔流量发生器喷口流场特性的数值模拟

针对小孔高温燃气射流,建立了二维轴对称非定常自由射流模型,采用CFD软件FLUENT进行高温燃气湍射流场的数值模拟.计算结果表明,射流沿轴向温度、速度等参数变化较小,但达到一定位置后会有较大衰减;射流温度、速度沿径向呈单峰分布,随径向距离的增加而减小,并随着时间的推移和轴向距离的增加,径向受扰动区域增大;总压和流场密度的分布图具有相同的形状,由于环境气体的阻力,射流头部燃气有回流现象,随着时间推移,射流头部呈现椭球形等压面.     

水下超声速燃气射流的初期流场特性研究

针对超声速燃气射流在静水介质中扩展的复杂多相流动问题,在压力水筒中开展了固体火箭发动机水下点火实验;基于雷诺时均Navier-Stokes方法和流体体积模型,对相同工况进行了燃气与水耦合数值求解。研究结果表明：水下燃气射流迅速建立超声速流动后,高速射流的冲击作用导致燃气泡呈现出帽状特征,并逐渐演变为类椭球体的气囊,平均轴向扩展速度约为40 m/s;燃气泡内部流动结构复杂,存在两个剪切涡环与重复出现的激波胞格,射流边界与燃气泡边界的相互作用会导致射流后续演化的不稳定;燃气扩展时通过压力波在水流场中产生高压区,其压力峰值在振荡中逐渐与环境压力匹配,喷管堵盖打开压力、出口截面积是影响推力峰值的重要因素。     

水下航行体超声速射流与尾空泡耦合作用初期的流场特性

针对航行体水下垂直发射过程,利用固体火箭发动机在尾空泡内点火实现有控运动,是保证复杂因素干扰下航行体弹道稳定的重要手段。基于流体体积模型、标准k-ε湍流模型和动网格技术,通过求解雷诺时均Navier-Stokes方程,获得超声速射流与尾空泡耦合作用初期的流场特性及其演化规律。结果表明：航行体出筒后形成的半椭球状附体尾空泡,在超声速射流作用下逐渐演变成葫芦状,其内部流动受到破坏后进行重构,没有形成回射流现象;超声速射流完全受限在尾空泡内发展,射流流动主要位于径向尺寸和喷管出口直径相当的核心区内,在射流卷吸作用和空泡界面影响下,尾空泡内相继出现了一次涡环和二次涡环结构;航行体尾部与筒口中心位置压力呈现宽幅振荡特征,最大振幅约为发射水深压力的1.2倍,致使射流结构和航行体受到的实际总推力出现大幅度振荡变化。     

带有辅助注气的喷管喉道面积控制方法研究

利用数值模拟方法,针对轴对称喷管,研究了主射流对辅助射流的影响,以及主射流流量、辅助注气缝宽度等参数对喷管流动和性能的影响规律。数值模拟结果表明,与普通喉道注气相比,喉道辅助注气可以在喉道下游产生更大的射流穿透深度和回流区,具有更好的喉道面积控制效果。随着主射流流量增大,喉道辅助注气流量逐渐增大,有效喉道面积逐渐减小。主射流流量较大时,可以形成开放的回流区,使喷管实际的膨胀比减小,提高喷管的推力性能。     

瞬态泄压条件下不同喷口结构的底部排气弹尾部流场特性

为了分析底部排气（简称底排）弹出膛口时,底排燃烧室瞬态泄压过程中喷口结构对底排弹尾部流场特性的影响,采用改进的对流迎风矢通量分裂（AUSM+）格式、SST k-ω湍流模型,编程求解二维轴对称Navier-Stokes方程。通过数值模拟方法研究环型喷口和圆孔型喷口底排弹尾部流场结构和特征参数变化,对比分析了不同喷口尺寸下的底排弹尾部流场特性。计算结果表明：在泄压过程中,圆孔型喷口尾部流场由高度欠膨胀射流发展为亚音速射流,而环型喷口尾部流场由高度欠膨胀环状射流在中心轴线上挤压形成中心射流后,再发展为亚音速环状射流;环型喷口在泄压后期有效削弱船尾拐角处的膨胀波,流线更为平滑;在泄压中后期,环型喷口底部平均静压和平均静温更高,增压减阻效果更好;同种喷孔排气面积比越大,降压速率越快,压力回升过程越慢,但排气面积比对泄压过程末态流场参数影响较小。     

鱼雷涡轮机斜切喷管内流场数值模拟

基于求解雷诺平均的Navier—Stokes方程组,对鱼雷燃气涡轮机斜切喷管内流场进行了数值模拟计算,研究了斜切喷管气动特性随膨胀比的变化关系。数值模拟结果表明,该文所使用的数值模拟方法能够较好地捕捉斜切喷管内部存在的各种复杂流动结构,合理地预测了斜切喷管内部流场随膨胀比的变化趋势;喷管处于膨胀过度状态时,喷管出口会出现激波,造成激波损失,激波与边界层干涉,使得流动损失进一步增大,引起喷管气动性能的迅速恶化,设计时应尽量避免;对于既定尺寸的喷管,膨胀比大于临界流量膨胀比时,通过喷管的燃气流量保持最大流量不变。     

来流和尾焰相互作用对导弹底部加热的数值仿真研究

为研究导弹飞行时,来流和尾焰相互作用对导弹底部的加热特性,对不同飞行参数和喷管摆角下导弹燃气射流流场进行了三维数值仿真研究,分析了导弹底部区域流场温度和流动参数的分布特点。研究结果表明,导弹飞行过程中,空气来流和喷管燃气射流相互作用,在导弹底部区域形成低速回流区,回流区内气体温度随导弹飞行高度、速度增加而上升。相比无摆角时,喷管摆角的存在使导弹底部回流区气体温度升高,喷管摆角越大温度升高越多。导弹在高空高速飞行和存在较大喷管摆角时,导弹底部加热较为严重,需采取适当的热防护措施。     

装药参数对水下机枪密封式膛口流场影响的数值分析

为了研究装药参数变化对水下机枪密封式发射膛口流场特性的影响,建立了水下机枪密封式发射的数学物理模型。运用流体力学计算软件Fluent,结合用户自定义函数和动网格技术,针对12.7 mm滑膛式机枪,分别采用15.5 g、13.0 g和11.0 g装药量对其水下密封式发射膛口流场进行了数值模拟。计算结果表明：不同装药量条件下,水下机枪密封式发射时,在弹头飞离膛口截面的过程中,水对弹前初始空气和弹头轴向运动的阻碍较大,导致弹头减速、火药燃气在弹后空间聚集、膛口燃气压力升高,而火药燃气形成射流后的喷射压力衰减遵循指数衰减规律;膛口射流形态受弹头速度和燃气喷射压力的耦合影响,均逐渐由梯形空腔转变为葫芦状空腔,且射流的轴向最大位移遵循指数衰减规律,马赫盘的初步形成时间也基本一致;随着弹头初速和燃气初始喷射压力的降低,火药燃气在射流头部聚集且径向扩展明显,并伴随形成二次射流,而弹底对马赫盘形状的影响时间缩短,激波核心区结构也更快地接近于正激波。因此可见,装药量对膛口流场分布的影响具有一定的规律性。     

导流槽和混合比对发动机喷流噪声特性影响实验研究

为分析研究火箭发动机喷流噪声特性的影响因素,设计了火箭发动机喷流噪声实验系统;采用BK数据采集系统及噪声处理软件进行噪声数据的采集和分析,研究发动机混合比以及导流槽对火箭发动机喷流噪声特性的影响。结果表明:随着发动机混合比的上升,发动机从富燃燃烧状态转换到富氧燃烧状态,噪声声压级降低;导流槽对喷流噪声有遮蔽作用,且随着导流槽距喷管出口距离的增大,遮蔽作用下降,噪声声压级上升。     

Laval型雾化器气液流动特性研究

喷嘴出口气流速度和气液质量流率比是影响液态金属雾化效果的两个主要因素。为改善雾化效果,对现有环缝型雾化器进行改进,出口采用Laval型。建立了喷嘴出口速度、气体与金属质量流率的表达式,获得稳定气、液质量流率比的坩埚背压与金属液面高度的关系。通过实验方法建立了采用限制型Laval喷嘴导流管出口负压值与雾化压力之间的关系。     

潜航飞行体深水超音速气体射流的流动稳定性研究

深水固体火箭推进系统的可靠性和稳定性决定了整个潜航飞行体的弹道精度和飞行稳定性,其工作过程为典型的水下超音速气体射流流动过程。通过建立二维平面垂直射流几何模型,采用分离涡湍流模型仿真分析了深水条件下超音速气体射流的形貌拟序特征以及流场参数的不稳定振荡特性,对水下推进系统推力振荡现象产生的基本流动机理进行了分析。结果表明：水下超音速气体射流尾流存在高频小幅振荡,同时伴随间歇大幅振荡,这种现象与气体和水湍流混合以及中心气路激波系的不稳定运动有关;中心气路激波系的不稳定运动以及失稳重建过程会导致尾部空间压强的剧烈振荡,最终造成推力的不稳定振荡。通过对推力振荡特性的分析发现：水深越深,推力振荡幅值越大、振荡频率越高;喷管出口壁面直径越大,推力振荡幅值越大、振荡频率越高。     

Experiment and Calculation for Expansion Process of Ablation Plasma Jets in Liquid

The expansion process of ablation plasma jet in liquid was experimentally investigated by using high speed digital camera. The sequential pictures show that, in the initial stage of the jet, the Taylor cavity expands in the axial and radial directions simultaneously, and then, is subjected to the constraint of chamber wall, in axial direction mainly. The maximum axial speed of the cavity's head ranges from 240m/s to 280m/s. Some strong heat conduction and mass transmission effects can be found in the surface of Taylor cavity, where the plasma cools down and condenses as solid particles while the liquid vaporizes as gas. Compared the expansion processes of the cavities among the different discharge energies and the nozzle diameters, it can be seen that the expansion speed of the cavity is directly proportional to the discharge energy and inversely to the nozzle diameter, and the effect of the discharge energy is stronger than that of the nozzle diameter. A set of equations describing the expansion process of ablation plasma jet was derived under the assumption of momentum conservation. The calculated results by use of the equations coincide with the experimented results better.     

对撞式喷嘴在大气环境中喷雾实验与数值模拟

为了研究对撞式喷嘴在大气环境中的喷雾特性,设计了对撞式喷嘴喷雾实验装置。采用相位多普勒粒子动态分析仪（ PDA）,测量了不同工况下含能液体模拟工质雾化场液滴的特征参数,获得了不同喷射压力下液滴索特尔平均直径D32的分布规律以及喷雾场液滴轴向速度vz 沿轴向和径向的分布规律。在实验基础上,建立喷雾场二维非稳态简化模型,气相采用k－ε湍流模型,液滴破碎采用泰勒类比破碎模型。结果表明：喷雾场从起始到统计稳定的发展过程约需15 ms,液滴索特尔平均直径D32的分布规律、轴向速度的计算值与实验结果基本吻合。     

火箭底部流动的TVD数值模拟

火箭高速飞行时，其发动机喷管排出的燃气流与外部超音速气流将激烈地相互作用，这种气动力干扰直接作用在火箭上，影响火箭的飞行性能。文中采用有限差分法，解火箭喷管排出的超音速欠膨胀射流和外部超音速绕流混合流动欧拉方程组，数值模拟结果与实验结果对比表明，数值精度合理，为此类流动提供了一种预测方法。